Alkeishiukkanen

Fysiikassa alkeishiukkanen tai perushiukkanen on hiukkanen, joka ei koostu muista hiukkasista.

Alkeishiukkanen voi olla jompikumpi kahdesta ryhmästä: fermioni tai bosoni. Fermionit ovat aineen rakennusaineita ja niillä on massa, kun taas bosonit toimivat fermionien vuorovaikutusten voimankantajina, ja joillakin niistä ei ole massaa. Standardimalli on hyväksytty tapa selittää hiukkasten käyttäytymistä ja niihin vaikuttavia voimia. Tämän mallin mukaan alkeishiukkaset jaetaan edelleen kvarkkeihin, leptoniin ja mittasuhdebosoneihin, ja Higgsinbosonilla on erityisasema ei-mittasuhdebosonina.

Atomin muodostavista hiukkasista vain elektroni on alkeishiukkanen. Protonit ja neutronit koostuvat kumpikin kolmesta kvarkista, mikä tekee niistä komposiittihiukkasia eli hiukkasia, jotka koostuvat muista hiukkasista. Kvarkit ovat sidoksissa toisiinsa gluonien avulla. Ytimessä on bosonipionikenttiä, jotka vastaavat protonit ja neutronit sitovasta vahvasta ydinvoimasta protonien välistä sähköstaattista hylkimistä vastaan. Tällaiset virtuaalipionit koostuvat kvarkki-antiquarkkipareista, joita taas pitävät yhdessä gluonit.

Alkeishiukkasta kuvaa kolme perusominaisuutta: massa, varaus ja spin. Kullekin ominaisuudelle annetaan numeroarvo. Massan ja varauksen arvo voi olla nolla. Esimerkiksi fotonilla on nollamassa ja neutriinolla nollavaraus. Nämä ominaisuudet pysyvät alkeishiukkasilla aina samoina.

Massa: Hiukkasella on massa, jos sen nopeuden lisääminen tai kiihdyttäminen vaatii energiaa. Oikealla olevassa taulukossa esitetään kunkin alkeishiukkasen massa. Arvot ilmoitetaan yksikköinä MeV/c2s (eli megaelektronivoltteina c:n neliössä), eli energiayksikköinä valonnopeuden neliössä. Tämä johtuu erityisestä suhteellisuusteoriasta, jonka mukaan energia on yhtä kuin massa kertaa valonnopeuden neliö. Kaikki hiukkaset, joilla on massa, tuottavat painovoimaa. Gravitaatio vaikuttaa kaikkiin hiukkasiin, jopa hiukkasiin, joilla ei ole massaa, kuten fotoniin (ks. yleinen suhteellisuusteoria).
Sähkövaraus: Hiukkasilla voi olla positiivinen tai negatiivinen varaus tai ei lainkaan. Jos yhdellä hiukkasella on negatiivinen varaus ja toisella hiukkasella positiivinen varaus, nämä kaksi hiukkasta vetävät toisiaan puoleensa. Jos molemmilla hiukkasilla on negatiivinen varaus tai molemmilla on positiivinen varaus, hiukkaset työntyvät erilleen. Lyhyillä etäisyyksillä tämä voima on paljon voimakkaampi kuin painovoima, joka vetää kaikkia hiukkasia yhteen. Elektronin varaus on -1 ja protonin varaus on +1. Neutronin keskimääräinen varaus on 0. Tavallisilla kvarkkeilla on varaus ⅔ tai -⅓.
Spin: Hiukkasen kulmavauhdilla tai vakiokierrolla on tietty arvo, jota kutsutaan sen spin-luvuksi. Alkeishiukkasten spin on yksi eli ½. Hiukkasten spin-ominaisuus tarkoittaa ainoastaan kulmamomentin olemassaoloa. Todellisuudessa hiukkaset eivät pyöri.

Massa ja varaus ovat ominaisuuksia, joita näemme jokapäiväisessä elämässä, sillä painovoima ja sähkö vaikuttavat asioihin, joita ihmiset näkevät ja koskettavat. Mutta spin vaikuttaa vain subatomisten hiukkasten maailmaan, joten sitä ei voi havaita suoraan.

Alkeishiukkasten standardimalli. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermionit

Fermioneilla (nimetty tiedemies Enrico Fermin mukaan) on spiniluku ½, ja ne ovat joko kvarkkeja tai leptoneita. Fermioneja on 12 erilaista (antiainetta lukuun ottamatta). Kutakin tyyppiä kutsutaan "flavoriksi". Aromeja ovat:

Kvarkit: ylös, alas, viehätysvoima, outo, ylhäältä, alhaalta. Kvarkkeja on kolme paria, joita kutsutaan "sukupolviksi". Ensimmäinen sukupolvi (ylös ja alas) on kevyin ja kolmas sukupolvi (ylös ja alas) on raskain. Kunkin parin (up, charm ja top) yhdellä jäsenellä on varaus ⅔. Toisen jäsenen (alas, outo ja alhaalla) varaus on -⅓.
Leptonit: elektroni, myoni, tau, elektronineutriino, myonin neutriino, tau-neutriino. Neutriinoilla on varaus 0, siksi etuliite neutr-. Muiden leptonien varaus on -1. Kukin neutriino on nimetty sitä vastaavan alkuperäisen leptonin mukaan: elektroni, myoni ja tauoni.

Kuusi fermionia 12:sta ajatellaan säilyvän ikuisesti: ylös- ja alaspäin suuntautuvat kvarkit, elektroni ja kolmenlaiset neutriinot (jotka vaihtavat jatkuvasti makua). Muut fermionit hajoavat. Toisin sanoen ne hajoavat toisiksi hiukkasiksi sekunnin murto-osassa luomisensa jälkeen. Fermi-Dirac-tilasto on teoria, joka kuvaa, miten fermionien kokoelmat käyttäytyvät. Periaatteessa samassa paikassa ei voi olla samanaikaisesti kuin yksi fermioni.

Bosonit

Bosoneilla, jotka on nimetty intialaisen fyysikon Satyendra Nath Bosen mukaan, on spin 1. Vaikka useimmat bosonit koostuvat useammasta kuin yhdestä hiukkasesta, alkeisbosoneja on kahdenlaisia:

Mittabosonit: gluonit, W+- ja W-bosonit, Z0-bosonit ja fotonit. Nämä bosonit kantavat kolmea neljästä perusvoimasta, ja niiden spin-luku on 1;

Gluoni: Gluonit ovat massattomia ja varauksettomia hiukkasia, ja ne ovat vahvan voiman vuorovaikutuksen kantajia. Ne muodostavat yhdessä kvarkkien kanssa hadroneiksi kutsuttuja hiukkasia, joihin kuuluvat protonit ja neutronit.
W- ja Z-bosonit: W- ja Z-bosonit ovat hiukkasia, jotka välittävät heikkoa voimaa. W-bosonilla on ainehiukkanen (W+) ja antiainehiukkanen (W-), kun taas Z-bosoni on oma antihiukkasensa. W-bosoni syntyy beetahajoamisessa, mutta muuttuu lähes välittömästi neutriinoksi ja elektroniksi. W- ja Z-bosonit löydettiin molemmat vuonna 1983.
Photon: Fotonit ovat massattomia ja varauksettomia hiukkasia, jotka kantavat sähkömagneettista voimaa. Fotoneilla voi olla tietty taajuus, joka määrittää, mitä sähkömagneettista säteilyä ne ovat. Kuten kaikki muutkin massattomat hiukkaset, ne liikkuvat valon nopeudella (300 000 km/s).

Higgsin bosoni: Fyysikot uskovat, että massiivisilla hiukkasilla on massa (eli ne eivät ole puhtaita energianippuja kuten fotonit) Higgsin vuorovaikutuksen vuoksi.

Fotonilla ja gluonilla ei ole varausta, ja ne ovat ainoat alkeishiukkaset, joiden massa on varmasti 0. Fotoni on ainoa bosoni, joka ei hajoa. Bose-Einsteinin tilastot ovat teoria, joka kuvaa, miten bosonien kokoelmat käyttäytyvät. Toisin kuin fermionit, samassa tilassa voi olla samanaikaisesti useampi kuin yksi bosoni.

Standardimalli sisältää kaikki edellä kuvatut alkeishiukkaset. Kaikki nämä hiukkaset on havaittu laboratoriossa.

Standardimallissa ei puhuta gravitaatiosta. Jos gravitaatio toimii kuten kolme muuta perusvoimaa, gravitaatiota kuljettaa hypoteettinen bosoni, jota kutsutaan gravitoniksi. Gravitonia ei ole vielä löydetty, joten sitä ei ole sisällytetty yllä olevaan taulukkoon.

Ensimmäinen löydetty fermioni, josta tiedämme eniten, on elektroni. Ensimmäinen löydetty bosoni, josta myös tiedämme eniten, on fotoni. Teoria, joka selittää tarkimmin elektronin, fotonin, sähkömagnetismin ja sähkömagneettisen säteilyn yhteistoiminnan, on nimeltään kvanttisähködynamiikka.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä ovat alkeishiukkaset?

V: Alkeishiukkaset ovat hiukkasia, jotka eivät koostu muista hiukkasista.

K: Kuinka moneen ryhmään alkeishiukkaset kuuluvat?

V: Alkeishiukkaset voivat kuulua johonkin kahdesta ryhmästä, fermioneihin tai bosoneihin.

K: Mikä on standardimalli?

V: Standardimalli on hyväksytty tapa selittää hiukkasten käyttäytymistä ja niihin vaikuttavia voimia.

K: Miten alkeishiukkaset ryhmitellään standardimallin mukaan?

V: Standardimallin mukaan alkeishiukkaset ryhmitellään edelleen kvarkkeihin, leptoneihin ja mittapainobosoneihin, ja Higgsin bosonilla on erityisasema ei-mittapainobosonina.

K: Pidetäänkö protoneja ja neutroneja alkeishiukkasina?

V: Ei, protoneja ja neutroneja ei pidetä alkeishiukkasina, koska ne koostuvat kukin kolmesta kvarkista, mikä tekee niistä komposiittihiukkasia - eli ne koostuvat muista pienemmistä hiukkasista.

K: Mitkä ominaisuudet kuvaavat alkeishiukkasta?

V: Alkeishiukkasta kuvaa kolme perusominaisuutta - massa, varaus ja spin - ja kullekin ominaisuudelle annetaan numeroarvo.

K: Vaikuttaako painovoima kaikentyyppisiin hiukkasiin, myös niihin, joilla ei ole massaa, kuten fotoneihin?

V: Kyllä, kaikki hiukkastyypit, myös ne, joilla ei ole massaa, kuten fotonit, kokevat painovoiman yleisen suhteellisuusteorian vuoksi.